(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に、第２半導体層、第１クラッド層、第１光閉じ込め層、活性層、第２光閉じ込め層、第２クラッド層及び第１半導体層を含む積層構造体を形成する工程と、
前記積層構造体の一部を除去することで、前記第１半導体層の第１部分の上に前記第１半導体層の主面に沿って周回するリング状の共振器構造を有するレーザ共振器を形成するとともに、前記レーザ共振器から放出される光を前記主面に沿って導く光導波路を前記第１半導体層の前記第１部分と並置された第２部分に形成する工程と、
前記第２半導体層のうちの前記第２部分の下面に接する部分を含む端部を酸化して、前記第２部分の前記光に対する屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率層であって、前記第２半導体層の導電率よりも低い導電率を有する低屈折率層を形成する工程と、
を備え、
前記レーザ共振器及び前記光導波路を形成する工程は、前記第１半導体層の前記第１部分と前記第２部分との間に凹部を形成することを含み、
前記低屈折率層を形成する工程は、前記低屈折率層が形成された後の前記第２半導体層の残りの部分と、前記低屈折率層と、の境界の位置を、前記リング状の前記レーザ共振器のリング外周位置の直下または直下よりもリング内側にすることを含み、
前記凹部の前記主面と直交する方向の厚さは、前記第１部分の前記方向の厚さ及び前記第２部分の前記方向の厚さよりも薄いことを特徴とする半導体発光素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、半導体発光素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＬＳＩ（Large Scale Integration）等の回路の集積密度が高くなると、内部回路のパターンの微細化が進み、配線断面積の減少によって配線抵抗の増加を招く。また、隣接する配線の間隔が狭くなることによって配線間の容量が増大する。その結果、配線抵抗と配線容量で決定される配線遅延時間が増大する。
【０００３】
このようなＬＳＩ等の回路の高密度化に伴う配線遅延の問題を解決する技術として、電気信号を光信号に置き換える光配線技術が注目されている。光配線技術は、金属配線のかわりに光導波路を用いて信号伝送する方式である。光導波路を用いた信号伝送では、上記のような微細化に伴う配線抵抗や配線間容量の増大が発生せず、更なる動作速度の高速化が期待される。このような光配線技術においては、光信号の伝送効率の更なる改善が要求されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−７６４９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の実施形態は、光信号の伝送効率を向上できる半導体発光素子の製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態に係る半導体発光素子の製造方法は、基板の上に、第２半導体層、第１クラッド層、第１光閉じ込め層、活性層、第２光閉じ込め層、第２クラッド層及び第１半導体層を含む積層構造体を形成する工程と、積層構造体の一部を除去することで、前記第１半導体層の第１部分の上に第１半導体層の主面に沿って周回するリング状の共振器構造を有するレーザ共振器を形成するとともに、レーザ共振器から放出される光を主面に沿って導く光導波路を第１半導体層の第１部分と並置された第２部分に形成する工程と、前記第２半導体層のうちの前記第２部分の下面に接する部分を含む端部を酸化して、第２部分の前記光に対する屈折率よりも低い屈折率を有する低屈折率層であって、第２半導体層の導電率よりも低い導電率を有する低屈折率層を形成する工程と、を備え、レーザ共振器及び光導波路を形成する工程は、第１半導体層の第１部分と第２部分との間に凹部を形成することを含み、前記低屈折率層を形成する工程は、前記低屈折率層が形成された後の前記第２半導体層の残りの部分と、前記低屈折率層と、の境界の位置を、前記リング状の前記レーザ共振器のリング外周位置の直下または直下よりもリング内側にすることを含み、凹部の前記主面と直交する方向の厚さは、第１部分の前記方向の厚さ及び第２部分の前記方向の厚さよりも薄い。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態に係る半導体発光素子の模式的斜視図である。
【図２】実施形態に係る半導体発光素子の一部断面模式的斜視図である。
【図３】実施形態に係る半導体発光素子の模式的断面図である。
【図４】実施形態に係る半導体発光素子の模式的断面図である。
【図５】結合効率を例示する図である。
【図６】半導体発光素子の製造方法を説明する模式的断面図である。
【図７】半導体発光素子の製造方法を説明する模式的断面図である。
【図８】実施形態に係る半導体発光素子の一部断面模式的斜視図である。
【図９】実施形態に係る半導体発光素子の模式的断面図である。
【図１０】半導体発光素子の製造方法を説明する模式的断面図である。
【図１１】半導体発光素子の製造方法を説明する模式的断面図である。
【図１２】他の改質層を例示する模式的断面図である。
【図１３】実施形態に係る半導体発光装置を例示する模式図である。
【図１４】実施形態に係る半導体発光装置の模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を図に基づき説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比係数などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比係数が異なって表される場合もある。
また、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
また、以下の説明では、一例として、第１導電形をｎ形、第２導電形をｐ形とした具体例を挙げる。
【００１１】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る半導体発光素子の構成を例示する模式的斜視図である。
図２は、第１の実施形態に係る半導体発光素子の一部断面模式図である。
図２に表した断面部分は、図１のＡ−Ａ断面を表している。
【００１２】
第１の実施形態に係る半導体発光素子１１０は、第１半導体層１０と、レーザ共振器５０と、を備える。
ここで、実施形態では、第１半導体層１０の主面１０ａに直交する方向をＺ軸方向、Ｚ軸方向と直交する方向をＸ軸方向及びＹ軸方向という。第１半導体層１０の主面１０ａは、Ｚ軸方向と直交するＸ−Ｙ面である。また、第１半導体層１０の主面１０ａの側を上（上側）、その反対を下（下側）ともいう。
【００１３】
半導体発光素子１１０において、第１半導体層１０は、第１部分ａ１と、第１部分に並置された第２部分ａ２と、を有する。第１部分ａ１と、第２部分ａ２と、は、主面１０ａに沿って並置される。第１半導体層１０は、例えば化合物半導体であって、導電形は、例えば第１導電形である。
【００１４】
レーザ共振器５０は、第１部分ａ１の上に設けられる。レーザ共振器５０は、第１半導体層１０の主面１０ａに沿って周回するリング状の共振器構造を有する。レーザ共振器５０の上部には、第２電極Ｄ２が設けられる。
【００１５】
本実施形態の半導体発光素子１１０では、第２部分ａ２において、レーザ共振器５０から放出される光を導波する。すなわち、第２部分ａ２は、光導波路７０として機能する。
【００１６】
半導体発光素子１１０において、第１半導体層１０の第１部分ａ１の下面には、第２半導体層２０ａが接している。また、第２部分ａ２の下面には、低屈折率層２０ｃが接している。第２半導体層２０ａは、例えば化合物半導体であって、導電形は、例えば第１導電形である。第２半導体層２０ａ及び低屈折率層２０ｃは、下部クラッド層２０として機能する。
【００１７】
下部クラッド層２０は、例えば基板Ｓの上に形成される。基板Ｓの下側には、第１電極Ｄ１が形成される。なお、第１電極Ｄ１は、第２半導体層２０ａと導通すればよいため、必ずしも基板Ｓの下側に設けられていなくてもよい。
【００１８】
光導波路７０は、主面１０ａに沿って設けられ、レーザ共振器５０から放出される光を主面１０ａに沿って導く。すなわち、レーザ共振器５０と光導波路７０とは、レーザ共振器５０から光導波路７０へと光信号が伝搬可能な結合状態（光学的な結合状態）になっている。レーザ共振器５０及び光導波路７０には、例えば化合物半導体が用いられる。
【００１９】
第１半導体層１０、第２半導体層２０ａ、レーザ共振器５０及び光導波路７０に化合物半導体が用いられる場合、その化合物半導体は、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）を含む材料、ガリウム燐（ＧａＰ）を含む材料、窒化ガリウム（ＧａＮ）を含む材料、等である。
【００２０】
実施形態に係る半導体発光素子１１０では、レーザ共振器５０の層構造の少なくとも一部と、光導波路７０の層構造と、が等しくなっている。すなわち、レーザ共振器５０の層構造及び光導波路７０の層構造は、一様に形成した層構造をエッチングすることで形成される。このため、レーザ共振器５０と、光導波路７０と、の間隔ｄは、層構造をエッチングする際の精度とほぼ等しい精度で設定される。ここで、間隔ｄは、リング状のレーザ共振器５０と、例えば直線状の光導波路７０と、の最も接近した位置での間隔である。
【００２１】
次に、具体的な積層構造について説明する。
図３は、半導体発光素子の一部を拡大した模式的断面図である。
図３では、図２に示すＢ部分を拡大して表示している。
図４は、レーザ共振器及び光導波路の模式的断面図である。
図４では、図３に示したレーザ共振器及び光導波路の部分の断面を模式的に表している。
図３及び図４に表したように、レーザ共振器５０は、第１クラッド層１４ａ、活性層１２及び第２クラッド層１４ｂを含む積層構造体（第１積層構造体）を有する。
【００２２】
具体的には、レーザ共振器５０は、活性層１２、第１光閉じ込め層１３ａ、第２光閉じ込め層１３ｂ、第１クラッド層１４ａ、第２クラッド層１４ｂを有する。第１導電形の第１光閉じ込め層１３ａは、活性層１２の下側に形成され、第２導電形の第２光閉じ込め層１３ｂは活性層１２の上側に形成される。第１導電形の第１クラッド層１４ａは第１光閉じ込め層１３ａの下側に形成され、第２導電形の第２クラッド層１４ｂは第２光閉じ込め層１３ｂの上側に形成される。
【００２３】
第２半導体層２０ａと、第１クラッド層１４ａと、のあいだには、第１導電形の第１コンタクト層１５ａが形成される。半導体発光素子１１０において、第１コンタクト層１５ａは、第１半導体層１０である。
第２クラッド層１４ｂと、第２電極Ｄ２と、のあいだには、第２導電形の第２コンタクト層１５ｂが形成される。
【００２４】
第１コンタクト層１５ａは平板状に形成される。活性層１２、第１光閉じ込め層１３ａ、第２光閉じ込め層１３ｂ、第１クラッド層１４ａ、第２クラッド層１４ｂ及び第２コンタクト層１５ｂはリング状に形成される。
【００２５】
平板状の第１コンタクト層１５ａ上に、リング状の第１クラッド層１４ａ、第１光閉じ込め層１３ａ、活性層１２、第２光閉じ込め層１３ｂ、第２クラッド層１４ｂ及び第２コンタクト層１５ｂがこの順に形成されている。したがって、第１コンタクト層１５ａは、リングの内側及び外側まで延在している。
【００２６】
第１クラッド層１４ａは、リング内縁から内部の一部にかけた第１内周部１４１ａと、リング外縁から内部の一部にかけた第１外周部１４２ａと、第１内周部１４１ａと第１外周部１４２ａとのあいだの第１中央部１４０ａと、を有する。第１内周部１４１ａ及び第１外周部１４２ａは、熱酸化によって第１中央部１４０ａの屈折率よりも低い屈折率を有する第１改質層１４ｃに改質されている。したがって、第１クラッド層１４ａは、第１内周部１４１ａ及び第１外周部１４２ａの改質層１４ｃに挟まれた第１中央部１４０ａが本来の第１クラッド層として機能する。
【００２７】
同様に、第２クラッド層１４ｂは、リング内縁から内部の一部にかけた第２内周部１４１ｂと、リング外縁から内部の一部にかけた第２外周部１４２ｂと、第２内周部１４１ｂと第２外周部１４２ｂとのあいだの第２中央部１４０ｂと、を有する。第２内周部１４１ｂ及び第２外周部１４２ｂは、熱酸化によって第２中央部１４０ｂの屈折率よりも低い屈折率を有する第２改質層１４ｄに改質されている。したがって、第２クラッド層１４ｂは、第２内周部１４１ｂ及び第２外周部１４２ｂの改質層１４ｄに挟まれた第２中央部１４０ｂが本来の第２クラッド層として機能する。
【００２８】
リング状のレーザ共振器５０の表面、及び光導波路７０の表面は、絶縁膜１８によって覆われている。また、レーザ共振器５０のリング内側、及びレーザ共振器５０と光導波路７０とのあいだには、絶縁膜８０が埋め込まれている。
【００２９】
第２コンタクト層１５ｂの上面の一部は露出しており、この露出部分に第２電極Ｄ２が設けられている。第２電極Ｄ２は、円板状に形成されている。第２電極Ｄ２の一部は絶縁膜８０の上に形成され、他の一部が第２コンタクト層１５ｂの露出部分の上に形成されている。
【００３０】
活性層１２は、例えばアンドープ多重量子井戸層（Multiple Quantum Well）を有する。アンドープ多重量子井戸層は、例えば厚さ８ナノメートル（ｎｍ）のＩｎＧａＡｓ量子井戸層と、例えば厚さ１０ｎｍのＧａＡｓ障壁層と、を交互に３層積層し、両側を例えば厚さ４０ｎｍのＡｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層で挟んだ構造である。
【００３１】
第１光閉じ込め層１３ａは、例えば厚さ１００ｎｍのｎ形ＧａＡｓ層である。第２光閉じ込め層１３ｂは、例えば厚さ１００ｎｍのｐ形ＧａＡｓ層である。第１クラッド層１４ａは、例えば厚さ３００ｎｍのｎ形Ａｌ０．９２Ｇａ０．０８Ａｓ層である。第２クラッド層１４ｂは、例えば厚さ３００ｎｍのｐ形Ａｌ０．９２Ｇａ０．０８Ａｓ層である。第１コンタクト層１５ａは、例えば厚さ１０ｎｍのｎ形ＧａＡｓ層である。第２コンタクト層１５ｂは、例えば厚さ１０ｎｍのｐ形ＧａＡｓ層である。
【００３２】
第１改質層１４ｃ及び第２改質層１４ｄは、第１クラッド層１４ａ及び第２クラッド層１４ｂを熱酸化して得られる層であり、第１クラッド層１４ａ及び第２クラッド層１４ｂよりも低い屈折率と、電気的な絶縁性と、を有している。
【００３３】
基板Ｓには、例えばｎ形のＧａＡｓが用いられる。また、第２半導体層２０ａには、例えばｎ形Ａｌ０．９６Ｇａ０．０４Ａｓが用いられる。
【００３４】
第１電極Ｄ１には、例えば金−ゲルマニウム（ＡｕＧｅ）合金が用いられる。第１電極Ｄ１は、例えばカソード電極である。第２電極Ｄ２には、例えば金−亜鉛（ＡｕＺｎ）合金が用いられる。第２電極Ｄ２は、例えばアノード電極である。絶縁膜１８には、例えばＳｉＯ２が用いられる。また、絶縁膜８０には、例えばポリイミドが用いられる。
【００３５】
レーザ共振器５０は、リング状の外周に沿って周回する光の共振器であり、第１半導体層１０の第２部分ａ２である光導波路７０と光学的に結合している。レーザ共振器５０のリングの外径は、例えば１０マイクロメートル（μｍ）、リングの内径は、例えば５μｍである。レーザ共振器５０の厚さは、例えば１μｍである。
【００３６】
レーザ共振器５０におけるレーザ発振動作は次のようになる。
すなわち、第２電極Ｄ２を電源（図示せず）の陽極に接続し、第１電極Ｄ１を電源の負極に接続して、レーザ共振器５０に通電すると、活性層１２にキャリアが注入される。そして、注入されたキャリアの再結合により誘導放出が生じる。誘導放出された光は、第１クラッド層１４ａ及び第２クラッド層１４ｂと、第１改質層１４ｃ及び第２改質層１４ｄの内周側界面及び外周側界面の間で交互に全反射を繰り返してリング状のレーザ共振器５０内を周回し、レーザ発振する。
【００３７】
ここで、リング状のレーザ共振器５０をＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法により形成した場合、レーザ共振器５０の側壁は粗面化し、例えば１０ｎｍ程度のラフネスが生じる。さらに、イオンの衝撃によりマイクロクラックや結晶欠陥などのダメージが生じる。
一方、第１クラッド層１４ａ及び第２クラッド層１４ｂの外周側壁及び内周側壁を熱酸化して第１改質層１４ｃ及び第２改質層１４ｄを形成することにより、第１クラッド層１４ａ及び第２クラッド層１４ｂと、第１改質層１４ｃ及び第２改質層１４ｄと、の界面のラフネス及びダメージを十分に低減させることができる。これにより、十分なレーザ発振特性が得られる。
【００３８】
また、レーザ共振器５０は、電気的な絶縁性を有する第１改質層１４ｃ及び第２改質層１４ｄにより電流狭窄構造を実現している。この電流狭窄構造により、電流は周回モードの存在する活性層部分へ選択的に注入される。そして、電流注入部と光強度分布とが一致し、共振器内に形成された周回モードへの利得が増大する。これにより、さらに良好なレーザ発振特性が得られる。
【００３９】
また、レーザ共振器５０内に注入される電流は、リングの外周側壁及び内周側壁の近傍を流れないので、外周側壁及び内周側壁のダメージの影響によるキャリア損失、例えばダメージに起因する非発光センター及び表面再結合による非発光再結合などを避けることができる。その結果、注入電流を有効利用することが可能である。
また、第２電極Ｄ２は、第２クラッド層１４ｂの中央よりも内側にずらして形成されているので、第２電極Ｄ２による光吸収損失を低減させることが可能である。
【００４０】
光導波路７０は、レーザ共振器５０と光学的に結合しており、上記のようにレーザ共振器５０でレーザ発振して放出された光を主面１０ａに沿って導く。
【００４１】
図３及び図４に表したように、半導体発光素子１１０の光導波路７０は、第１クラッド層１４ａ、活性層１２及び第２クラッド層１４ｂを含む積層構造体（第２積層構造体）を有する。すなわち、光導波路７０は、レーザ共振器５０と同じ積層構造体を有する。
【００４２】
光導波路７０は、第１コンタクト層１５ａの一部（第２部分ａ２）に形成されている。光導波路７０は、主面１０ａに沿って例えば直線状に延びて設けられる。光導波路７０は、第１コンタクト層１５ａの第２部分ａ２をコア、第２部分ａ２の上の第１クラッド層１４ａをクラッドとして、光導波路構造を構成する。これにより、光導波路７０の延びた方向に光を導くことができる。
【００４３】
また、下部クラッド層２０は、Ｚ軸方向にみて第２部分ａ２と重なる部分を含む低屈折率層２０ｃと、第１部分ａ１と重なる部分を含む第２半導体層２０ａと、を有する。低屈折率層２０ｃの屈折率は、第２部分ａ２の屈折率よりも低い。ここで、屈折率は、レーザ共振器５０から放出される光に対する屈折率である。
【００４４】
また、低屈折率層２０ｃの導電率は、第２半導体層２０ａの導電率よりも低い。低屈折率層２０ｃは、例えば第２半導体層２０ａと同じ材料（下部クラッド層２０の材料）の一部を熱酸化した改質層である。すなわち、第２半導体層２０ａを形成する際に用いる半導体材料のうち一部を熱酸化によって改質して、低屈折率層２０ｃを形成している。なお、低屈折率層２０ｃは、第２半導体層２０ａと同じ材料を熱酸化して形成するものに限定されず、例えば基板Ｓ上に第２半導体層２０ａとは異なる層を積層したものであってもよい。
【００４５】
低屈折率層２０ｃが設けられていることで、レーザ共振器５０から光導波路７０へ向かう光が、第２半導体層２０ａ側へ漏れてしまうことを防止することができる。
【００４６】
すなわち、光導波路７０は、第１コンタクト層１５ａの第２部分ａ２をコア、この上側の第１クラッド層１４ａ及び下側の低屈折率層２０ｃをそれぞれクラッドとした光導波路構造となる。これにより、レーザ共振器５０から放出される光が、第１コンタクト層１５ａの第２部分ａ２に閉じ込められ、第１クラッド層１４ａ及び低屈折率層２０ｃの間で交互に全反射を繰り返して効率良く進むことになる。
【００４７】
ここで、レーザ共振器５０のと、光導波路７０と、の間隔ｄを正確に設定することで、レーザ共振器５０と、光導波路７０と、のあいだの十分な光学的結合を得ることができる。間隔ｄは、例えば２５ｎｍ以上、５００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以上、４００ｎｍ以下、さらに好ましく２００ｎｍ以上、３００ｎｍ以下に設定される。
【００４８】
また、第１コンタクト層１５ａにおいて、レーザ共振器５０が形成される第１部分ａ１と、光導波路７０となる第２部分ａ２と、のあいだには、必要に応じて凹部ＲＰが設けられている。凹部ＲＰのＺ軸方向に沿った厚さｔ１は、第１部分ａ１及び第２部分ａ２のＺ軸方向に沿った厚さｔ２よりも薄い。この凹部ＲＰの厚さｔ１によって、レーザ共振器５０から光導波路７０へ伝わる光パワーを調整することができる。凹部ＲＰの厚さｔ１は、例えば０ｎｍ（凹部ＲＰなし）以上、２５０ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以上、１５０ｎｍ以下、さらに好ましくは７５ｎｍ以上、１００ｎｍ以下に設定される。
【００４９】
レーザ共振器５０から放出された光は、第１コンタクト層１５ａの第１部分ａ１から凹部ＲＰを介して第２部分ａ２に伝わり、第２部分ａ２をコアとした光導波路７０に沿って伝達していく。したがって、低屈折率層２０ｃと第２半導体層２０ａとの境界位置ＢＬは、レーザ共振器５０のリング外周位置の直下または直下よりもリング内側であることが望ましい。
【００５０】
図５は、境界位置ＢＬと光の結合効率との関係を例示する図である。
図５において、横軸は境界位置ＢＬであり、低屈折率層２０ｃの端部を基準としたＸ軸方向の位置である（図３参照）。なお、境界位置ＢＬが０とは、下部クラッド層２０の改質が行われていない場合を示す。また、縦軸の光の結合効率は、低屈折率層２０ｃと第２半導体層２０ａとの光の結合効率を示している。
【００５１】
図５に表したように、境界位置ＢＬがｘ１を超えると急激に結合効率が低下している。このｘ１は、レーザ共振器５０のリング外周位置の直下に相当する。したがって、境界位置ＢＬを、レーザ共振器５０のリング外周位置の直下または直下よりもリング内側にすることで、低屈折率層２０ｃと第２部分ａ２との光の結合効率を低下させることができ、レーザ共振器５０から放出された光が第２半導体層２０ａ側へ漏れ出すことを抑制することができる。これにより、レーザ共振器５０から放出された光は、凹部ＲＰから第２半導体層２０ａ側へ漏れることなく、効率良く第２部分ａ２へ伝達されることになる。
【００５２】
実施形態に係る半導体発光素子１１０では、レーザ共振器５０と光導波路７０との間隔ｄを精度よく設定できるため、レーザ共振器５０と光導波路７０とを別体で形成して貼り合わせる場合に比べ、レーザ共振器５０から光導波路７０への光の伝送効率を向上できる。また、下部クラッド層２０に低屈折率層２０ｃが設けられていることで、レーザ共振器５０から放出された光が第２半導体層２０ａ側へ漏れてしまうことを防止でき、光導波路７０へ効率良く光を導くことができるようになる。
【００５３】
（第２の実施形態）
第２の実施形態は、半導体発光素子１１０の製造方法である。
図６〜図７は、半導体発光素子の製造方法を説明する模式的断面図である。
先ず、図６（ａ）に表したように、基板Ｓ上に、積層構造体１００を形成する。積層構造体１００は、例えば、下部クラッド層２０、第１コンタクト層１５ａ（第１半導体層１０）、第１クラッド層１４ａ、第１光閉じ込め層１３ａ、活性層１２、第２光閉じ込め層１３ｂ、第２クラッド層１４ｂ及び第２コンタクト層１５ｂを積層したものである。
積層構造体１００は、例えば、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法によって連続成膜される。
【００５４】
ここで、基板Ｓは、例えばＧａＡｓである。下部クラッド層２０は、例えば厚さ１μｍのｎ形のＡｌ０．９６Ｇａ０．０４Ａｓである。第１コンタクト層１５ａは、例えば厚さ０．２５μｍのｎ形のＧａＡｓである。第１クラッド層１４ａは、例えば厚さ０．１μｍのｎ形のＡｌ０．９２Ｇａ０．０８Ａｓである。第１光閉じ込め層１３ａは、例えば厚さ０．０１μｍのｎ形のＧａＡｓである。
【００５５】
活性層１２は、例えば厚さ８ｎｍのｎ形のＧａＡｓ量子井戸層と、厚さ１０ｎｍのＧａＡｓバリア層とを交互に３層積層し、上下を厚さ４０ｎｍのＡｌ０．１Ｇａ０．９Ａｓ層で挟んだ多重量子井戸構造である。
【００５６】
第２光閉じ込め層１３ｂは、例えば厚さ０．０１μｍのｐ形のＧａＡｓである。第２クラッド層１４ｂは、例えば厚さ０．１μｍのｐ形のＡｌ０．９２Ｇａ０．０８Ａｓである。第２コンタクト層１５ｂは、例えば厚さ０．０１μｍのｐ形のＧａＡｓである。
【００５７】
第１コンタクト層１５ａと第１クラッド層１４ａとの間、第１クラッド層１４ａと活性層１２との間、活性層１２と第２クラッド層１４ｂとの間、及び第２クラッド層１４ｂと第２コンタクト層１５ｂとの間に、ＡｌＧａＡｓグレーデッド層を挿入してもよい。ＡｌＧａＡｓグレーデッド層は、Ａｌ組成を０．１から０．９２まで徐々に変化させる。
【００５８】
次に、図６（ｂ）に表したように、積層構造体１００の上に、レーザ共振器５０のリング形状と対応した第１レジスト膜Ｒ１と、光導波路７０の形状に対応した第２レジスト膜Ｒ２とを形成し、この第１レジスト膜Ｒ１及び第２レジスト膜Ｒ２とをマスクにして積層構造体１００をエッチングする。
【００５９】
第１レジスト膜Ｒ１は、例えば外形が１０μｍ、内径が５μｍのリング状になっている。また、第２レジスト膜Ｒ２は、例えば幅１μｍ以上、２μｍ以下の直線状になっている。エッチングには、例えばＲＩＥ法が用いられる。このエッチングによって、積層構造体１００の第１レジスト膜Ｒ１及び第２レジスト膜Ｒ２が形成されていない部分について、第２コンタクト層１５ｂから第１コンタクト層１５ａが露出するまで除去する。
【００６０】
このエッチングによって、リング状のレーザ共振器５０及び直線状の光導波路７０が形成される。すなわち、レーザ共振器５０及び光導波路７０は、一度のエッチング工程で同時に形成される。
【００６１】
また、レーザ共振器５０と光導波路７０との間隔ｄは、第１レジスト膜Ｒ１及び第２レジスト膜Ｒ２を形成する際のフォトリソグラフィの精度、及びＲＩＥ等のエッチングの精度によって正確に設定される。さらに、レーザ共振器５０と光導波路７０との間の凹部ＲＰでの第１コンタクト層１５ａの厚さｔ１は、ＲＩＥ等のエッチングによって正確に設定される。
【００６２】
次に、図６（ｃ）に表したように、酸化処理を行う。酸化処理を行うにあたり、光導波路７０の外側における下部クラッド層２０の一部を除去しておく。酸化処理は、例えは温度４００℃以上、５００℃以下で、水蒸気雰囲気中、酸素雰囲気中または大気中で行われる。この際、Ａｌ組成比により酸化速度が決まる。すなわち、Ａｌ組成比の高い第１クラッド層１４ａ及び第２クラッド層１４ｂの外周側及び内周側から内部に向けて酸化が進み、第１改質層１４ｃ及び第２改質層１４ｄが形成される。この酸化と同時に、電流狭窄構造が形成される。さらに、この酸化によって、下部クラッド層２０の端部に低屈折率層２０ｃが形成される。
【００６３】
通常、結晶の面方位により酸化速度が異なり、（１００）面が最も酸化速度が遅く、（１１０）面、（１１１）面の順に酸化速度が速くなる。
その結果、リング状の第１クラッド層１４ａ及び第２クラッド層１４ｂの外周側および内周側では、その面方位によって改質層の幅が若干変化する。径が小さいほどその影響が大きくなる。従って、改質した後に目的の円形状となるように、改質前のレーザ共振器５０のリング形状の外形を適宜定めておくことが望ましい。
【００６４】
次に、図７（ａ）に表したように、レーザ共振器５０及び光導波路７０を埋め込む絶縁膜８０を形成する。絶縁膜８０には、例えばポリイミドが用いられる。なお、絶縁膜８０を形成する前に、レーザ共振器５０の表面、及び光導波路７０の表面を絶縁膜１８で被覆しておいてもよい。
【００６５】
次いで、図７（ｂ）に表したように、絶縁膜８０を、例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法により第２コンタクト層１５ｂが露出するまで除去する。そして、露出した第２コンタクト層１５ｂの上面の内周部及びレーザ共振器５０の内側を埋め込む絶縁膜８０上に第２電極Ｄ２を形成する。また、基板Ｓの裏面に第１電極Ｄ１を形成する。
これにより、半導体発光素子１１０が完成する。
【００６６】
このような製造方法によって、レーザ共振器５０及び光導波路７０が下部クラッド層２０の上に一体的に形成された半導体発光素子１１０を製造することができるようになる。また、レーザ共振器５０と光導波路７０との間隔ｄをエッチング精度で正確に設けることができ、レーザ共振器５０と光導波路７０とを別体で形成して貼り合わせる場合に比べ、レーザ共振器５０から光導波路７０への光の伝送効率を向上できる半導体発光素子１１０を容易に製造することが可能になる。
【００６７】
（第３の実施形態）
図８は、第３の実施形態に係る半導体発光素子の一部断面模式的斜視図である。
図９は、第３の実施形態に係る半導体発光素子の一部を拡大した模式的断面図である。  図９は、図８に示すＣ部分を拡大して表示している。
【００６８】
第３の実施形態に係る半導体発光素子１２０は、第１の実施形態に係る半導体発光素子１１０に比べて、光導波路の構造が相違する。
すなわち、半導体発光素子１２０では、光導波路７２として、第１コンタクト層１５ａ（第１半導体層１０）の凸部ＣＰをコアとして利用している。
【００６９】
凸部ＣＰによる光導波路７２の積層構造体（第２積層構造体）は、レーザ共振器５０の積層構造体（第１積層構造体）の一部と同じ積層構造になっている。図９に表した一例では、レーザ共振器５０の積層構造体のうち、第１コンタクト層１５ａによって凸部ＣＰが構成されている。つまり、第１コンタクト層１５ａの凸部ＣＰの上には、半導体発光素子１１０の光導波路７０の構造体に含まれる第１クラッド層１４ａ、第１光閉じ込め層１３ａ、活性層１２、第２光閉じ込め層１３ｂ、第２クラッド層１４ｂ及び第２コンタクト層１５ｂが設けられていない。
このような光導波路７２の構造によって、活性層１２での光の吸収がなくなるため、光導波路７２のコアになる凸部ＣＰでの光の導波損失を低減でき、光出力効率の向上を図ることができる。
【００７０】
（第４の実施形態）
第４の実施形態は、半導体発光素子１２０の製造方法である。
図１０〜図１１は、半導体発光素子の製造方法を説明する模式的断面図である。
先ず、図１０（ａ）に表したように、基板Ｓ上に、積層構造体１００を形成する。積層構造体１００は、例えば、下部クラッド層２０、第１コンタクト層１５ａ（第１半導体層１０）、第１クラッド層１４ａ、第１光閉じ込め層１３ａ、活性層１２、第２光閉じ込め層１３ｂ、第２クラッド層１４ｂ及び第２コンタクト層１５ｂを積層したものである。各層の材料は、第２の実施形態と同様である。
ここで、第１コンタクト層１５ａの厚さは、第２の実施形態で形成する第１コンタクト層１５ａの厚さに比べて厚くしておく。
【００７１】
次に、図１０（ｂ）に表したように、積層構造体１００の上に、レーザ共振器５０のリング形状と対応した第１レジスト膜Ｒ１と、光導波路７２の形状に対応した第２レジスト膜Ｒ２とを形成し、この第１レジスト膜Ｒ１及び第２レジスト膜Ｒ２とをマスクにして積層構造体１００をエッチングする。このエッチングによって、積層構造体１００の第１レジスト膜Ｒ１及び第２レジスト膜Ｒ２が形成されていない部分について、第２コンタクト層１５ｂから第１コンタクト層１５ａが露出するまで除去される。その後、第１レジスト膜Ｒ１及び第２レジスト膜Ｒ２を除去する。
【００７２】
次に、図１０（ｃ）に表したように、光導波路７２の上及び下部クラッド層２０における端部を除く部分に第３レジスト膜Ｒ３を形成する。そして、第３レジスト膜Ｒ３をマスクとして、エッチングを行う。これにより、光導波路７２の上の第２コンタクト層１５ｂ、第２クラッド層１４ｂ、第２光閉じ込め層１３ｂ、活性層１２、第１光閉じ込め層１３ａ及び第１クラッド層１４ａが除去される。これにより、凸部ＣＰが残される状態になる。さらに、このエッチングと同時に、下部クラッド層２０の端部が除去される。
【００７３】
次に、酸化処理を行う。酸化処理の条件は、第２の実施形態での酸化処理の条件と同様である。これにより、第１改質層１４ｃ及び第２改質層１４ｄが形成される。また、この酸化と同時に、電流狭窄構造が形成される。さらに、この酸化によって、下部クラッド層２０に低屈折率層２０ｃが形成される。
【００７４】
次に、図１１（ａ）に表したように、レーザ共振器５０及び光導波路７２を埋め込む絶縁膜８０を形成する。絶縁膜８０には、例えばポリイミドが用いられる。次いで、図１１（ｂ）に表したように、絶縁膜８０を、例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法により第２コンタクト層１５ｂが露出するまで除去する。そして、露出した第２コンタクト層１５ｂの上面の内周部及びレーザ共振器５０の内側を埋め込む絶縁膜８０上に第２電極Ｄ２を形成する。また、基板Ｓの裏面に第１電極Ｄ１を形成する。
これにより、半導体発光素子１２０が完成する。
【００７５】
図１２は、他の改質層の構造を例示する一部拡大模式的断面図である。
上記説明した半導体発光素子１１０及び１２０では、第１クラッド層１４ａ及び第２クラッド層１４ｂのリングの外周側及び内周側にそれぞれ第１改質層１４ｃ及び第２改質層１４ｄが設けられている例を示したが、図１２に表したような改質層の構造を適用してもよい。
【００７６】
すなわち、この構造において、第１クラッド層１４ａは、リング形状の内縁から内部の一部にかけた第１内周部１４１ａを含む。第１内周部１４１ａは、熱酸化法により改質層１４ｃに改質されている。改質層１４ｃの屈折率は、第１内周部１４１ａ以外の部分１４３ａの屈折率よりも低くなっている。したがって、第１クラッド層１４ａは、第１内周部１４１ａ以外の部分１４３ａが本来の第１クラッド層として機能する。
【００７７】
一方、第２クラッド層１４ｂは、リング形状の外縁から内部の一部にかけた第２外周部１４２ｂを含む。第２外周部１４２ｂは、熱酸化法により改質層１４ｄに改質されている。改質層１４ｄの屈折率は、第２外周部１４２ｂ以外の部分１４３ｂの屈折率よりも低くなっている。したがって、第２クラッド層１４ｂは、第２外周部１４２ｂ以外の部分１４３ｂが本来の第２クラッド層として機能する。
【００７８】
また、第１改質層１４ｃ及び第２改質層１４ｄの一部は、Ｚ軸方向からみてオーバーラップするように設けられている。これにより、活性層１２には内周側から電流が流入し、電流が活性層１２に沿って横方向に流れ、外周側から電流が流出する電流狭窄構造が形成されている。電流が活性層１２に沿って横方向に流れる横注入法によれば、光も中央部に強く閉じ込めることが可能である。
なお、図１２では、光導波路７０を用いる例を示しているが、光導波路７２を用いてもよい。
【００７９】
（第５の実施形態）
図１３は、第５の実施形態に係る半導体発光装置を例示する模式図である。
図１３（ａ）は、システム構成例を示している。図１３（ｂ）は、光ファイバの接続部分を拡大した模式的断面図である。
図１４は、第５の実施形態に係る半導体発光装置の一部拡大模式的断面図である。
実施形態に係る半導体発光装置５００は、半導体基板ＳＢに形成された集積回路ＩＣと、半導体基板ＳＢの上に設けられた半導体発光素子１１０と、光導波路７０に接続された光ファイバＦＢと、を備えている。図１３（ａ）に例示したシステム構成例では、それぞれ集積回路ＩＣが形成された２つの半導体基板ＳＢ（１）及びＳＢ（２）を光ファイバＦＢで接続している。
【００８０】
半導体基板ＳＢ（１）には、上記説明した半導体発光素子１１０が搭載されている。半導体発光素子１１０の例えば第２電極Ｄ２と、集積回路ＩＣの出力信号線と、は、配線パターン９３によって接続されている。なお、配線パターン９３による接続のほか、ボンディングワイヤーによる接続であってもよい。
【００８１】
半導体基板ＳＢ（１）の端部には例えばＶ型の溝９５が形成されており、この溝９５に合わせて光ファイバＦＢの一端が取り付けられている。溝９５の深さによって、光ファイバＦＢのコアＦＢＣと、光導波路７０のコアに対応する第１コンタクト層１５ａと、が位置合わせされる。
【００８２】
一方、半導体基板ＳＢ（２）には、光電変換素子ＰＤが搭載されている。半導体基板ＳＢ（２）にも例えばＶ型の溝９５が形成されており、この溝９５に合わせて光ファイバＦＢの他端が取り付けられている。溝９５の深さによって、光ファイバＦＢのコアＦＢＣと、光電変換素子ＰＤの受光部と、が位置合わせされる。
【００８３】
図１３に例示したシステムでは、一例として、半導体基板ＳＢ（１）に３つの半導体発光素子１１０が搭載され、半導体基板ＳＢ（２）に３つの光電変換素子ＰＤが搭載されている。そして、各半導体発光素子１１０と各光電変換素子ＰＤとのあいだに光ファイバＦＢがそれぞれ接続されている。
【００８４】
このようなシステムでは、集積回路ＩＣの出力信号が配線パターン９３を介して第２電極Ｄ２に印加される。これにより、集積回路ＩＣの出力信号に応じて光がレーザ共振器５０から放出される。そして、放出された光は、光導波路７０へ導かれ、光導波路７０から光ファイバＦＢを介して半導体基板ＳＢ（２）側へ送られる。半導体基板ＳＢ（２）では、光ファイバＦＢを介して送られた光信号を光電変換素子ＰＤで電気信号に変換し、集積回路ＩＣへ送る。
【００８５】
このようなシステムによって、半導体基板ＳＢ（１）に形成された集積回路ＩＣと、半導体基板ＳＢ（２）に形成された集積回路ＩＣと、のあいだの信号伝達を、光信号によって行うことが可能となる。
【００８６】
なお、上記の説明では、半導体基板ＳＢ（１）から半導体基板ＳＢ（２）に向けて信号を送る例を示したが、反対であっても適用可能である。すなわち、信号の送信側に半導体発光素子１１０を搭載し、信号の受信側に光電変換素子ＰＤを搭載し、これらのあいだを光ファイバＦＢで接続すればよい。また、半導体基板ＳＢ（１）及びＳＢ（２）にそれぞれ半導体発光素子１１０及び光電変換素子ＰＤを搭載して、双方向で信号の送受信を行うようにしてもよい。
【００８７】
また、上記の構成では、半導体基板ＳＢ（１）に半導体発光素子１１０を実装する例を説明したが、半導体基板ＳＢ（１）を基板Ｓとして、半導体基板ＳＢ（１）の上に半導体発光素子１１０の積層構造体１００を連続成膜して、半導体基板ＳＢ（１）と一体に成形してもよい。さらには、半導体基板ＳＢ（１）に、集積回路ＩＣと、半導体発光素子１１０と、を一体に形成してもよい。
【００８８】
また、上記の半導体発光装置５００の一例において、半導体発光素子１１０を適用しているが、半導体発光素子１１０の代わりに半導体発光素子１２０を適用してもよい。
【００８９】
以上説明したように、実施形態によれば、光信号の伝送効率を向上できる半導体発光素子、半導体発光装置及び半導体発光素子の製造方法を提供することができる。
【００９０】
なお、上記に本実施の形態およびその変形例を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。例えば、前述の各実施の形態またはその変形例に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものもや、各実施の形態の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含有される。
【００９１】
例えば、前述の各実施の形態および各変形例においては、第１の導電形をｎ形、第２の導電形をｐ形として説明したが、本発明は第１の導電形をｐ形、第２の導電形をｎ形としても実施可能である。
【００９２】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００９３】
１０…第１半導体層、１０ａ…主面、１０ｃ…改質層、１２…活性層、１３ａ…第１光閉じ込め層、１３ｂ…第２光閉じ込め層、１４ａ…第１クラッド層、１４ｂ…第１クラッド層、１４ｃ…第１改質層、１４ｄ…第２改質層、１５ａ…第１コンタクト層、１５ｂ…第２コンタクト層、１８，８０…絶縁膜、２０…下部クラッド層、２０ａ…第２半導体層、２０ｃ…低屈折率層、５０…レーザ共振器、７０，７２…光導波路、９３…配線パターン、９５…溝、１００…積層構造体、１１０，１２０…半導体発光素子、１４０ａ…第１中央部、１４０ｂ…第２中央部、１４１ａ…第１内周部、１４１ｂ…第２内周部、１４２ａ…第１外周部、１４２ｂ…第２外周部、５００…半導体発光装置、ＢＬ…境界位置、ＣＰ…凸部、Ｄ１…第１電極、Ｄ２…第２電極、ＦＢ…光ファイバ、ＦＢＣ…コア、ＩＣ…集積回路、ＰＤ…光電変換素子、Ｒ１，Ｒ２…レジスト膜、ＲＰ…凹部、Ｓ…基板、ＳＢ…半導体基板
【図１】
0005480192.tif 000002
【図２】
0005480192.tif 000003
【図３】
0005480192.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0005480192.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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